成都造出世界最准的钟：几十万年没有“1秒”误差！

四川在线记者 张彧希 罗之飏

1秒是多久？

滴答、滴答、滴答……

你听，刚刚已经过去了3秒。

但你有没有想过，一秒为什么是滴答，而不是滴答滴，或者滴答滴答？

关于这个问题，科学家们有了最新回答：

铯133震动9,192,631,770次。

这就是我们脑海中的“滴答”——1秒的“长度”，也是历时一百多年研究后，科学界目前能给出的最精准的定义。

成都有一家企业，造出一台钟，可以按这个定义来计时。不对，应该是计秒、计毫秒、计微秒、计纳秒，可以说是世界上最准时的钟。

这台钟养在深闺，藏在实验室里，安放在通信机房，很少人见过它，但它又无处不在，在宽带里，在手机里，在卫星里、在通讯基站里……

刚刚，我才用它来打了一通电话。

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为什么会有1秒、1分，或者1个小时？

我们需要说说时间的起源。

人类在发展文明中，逐渐将太阳东升西落定为1天，地球用365天绕太阳公转一周定为1年。

但是，这不够细，于是又将1天分为24小时，1小时分为60分钟，1分钟分为60秒。

由此发明出时间——这个看不见摸不着但又无处不在的定义，来作为人类观察世界、认识自身的一个工具，推动人类文明发展。

想想看，没有时间的世界，会是什么样子！

发明出时间这个概念，就需要有一个工具来记录，人们尝试过很多工具，比如水钟、日晷（注：guǐ）、机械表、石英表……

但是它们都不够准，或者说，在某些领域应用时不够准！

比如发射卫星，它依靠速度为光速的电磁波对卫星进行实时的精密测量，你不能掐表倒数3、2、1……因为一旦有误差，哪怕是万分之一秒的误差，乘以光速，就可能——

失之毫厘，差之千里！

所以，我们需要一个“精准到极致”的计时工具。

1879年，英国数学物理学家、工程师开尔文勋爵（原名：威廉·汤姆森）提出了一个概念：用原子或分子的跃迁来作为频率基准，从而作为时间基准。

比如，氨分子在两个物体间跃迁来回10次作为1秒；氢原子在两个物体间跃迁来回50次作为1秒……

事实当然不是这样，这只是我们打个比方。

为什么开尔文勋爵的理论可行呢？因为科学家发现，原子能级跃迁有着最稳定的频率，几乎不受温度、压强影响。

这意味着，用这种方式计算的时间，会非常准！

不会因为天冷，“表”冻上了，或者海拔高，“表”走不动了……

1945年，诺贝尔物理学奖得主伊西多·拉比（Isidor Rabi）做出了第一个“分子钟”，用的是氨气的能级跃迁。虽然受制于技术发展程度，这个分子钟还没现代石英手表准，但实际验证了开尔文勋爵的设想。

二战后，美国国家标准局和英国国家物理实验室都宣布，要以原子共振研究为基础来确定原子时间的标准。

1948年，美国国家标准局（现为美国标准技术研究所）建造了世界上第一台原子钟，使用的依然是氨原子。

在随后的研究中，科学家转而使用振荡更短的铯，并改进了设计。1964年，铯原子钟已经变得极为精确，6000年才会有1秒的误差，以致于在1967年，第13届度量衡大会上，科学界确定在铯原子振荡技术基础上制定SI秒——

即1秒=铯133震动9,192,631,770次。

从此，全球的计时系统不再以天文学技术为基础，进入原子时代。

2

估计看到这里，不少读者已经感到头晕。

这到底是什么？

我们再说说铯原子钟的运行原理。

先来说一个常见的东西——石英表。相信不少正在看这篇文章的人，手腕上正戴着一只。

不管它是价值几万的奢华品牌，还是街边几十块钱一只的便宜产品，它的基本原理都是一致的——

一个石英手表内部有一个石英晶体振荡器，这个晶振输出10MHZ的信号，意味着这个晶振输出的电压每秒改变一千万次，于是做一个计数器对输出电压计数，一千万次了就让秒针动一下，就这么简单。

所以钟准不准，其实就是输出电压的频率准不准，比如这个10MHZ的石英表，假设有1HZ的频率不准，那么每一千万秒就会差一秒，也就是11天半差一秒了。

你的手表产生这一点点误差，当然不会对你带来太大影响。但如果是天文观测、航空航天、卫星发射、宽带网络……就是不允许发生的错误。

那铯原子又是干什么的？其实，不管是铯原子，还是氢原子、铷原子，原子钟都是利用原子跃迁的的能级差为基准信号，来校准晶体振荡器频率，以使其输出标准频率信号的一种电子装置。

这一锁定的频率被9,192,631,770除，就得到常见的现实世界需要的每秒一个脉冲。

相信看到这里，已经有读者完全懵了！

要明白这个原理，估计至少要有个物理学博士学位，所以，记者本人也不懂。

因为我们也没有博士学位（未来也不会有）。

于是，我们找了个“懂行”的人——

成都天奥电子股份有限公司曹远洪博士，早年毕业于中国科学院，长期研究各类原子钟，主持了铯原子钟国家重大科研专项。

我们需要知道的是，世界上能研制出铯原子钟的国家很少，只有美国、瑞士、中国等少数几个国家。

在长期技术封锁情况下，中国能研制出铯原子钟的企业堪称凤毛麟角。

成都天奥电子股份有限公司就是其中之一，也是国内该领域唯一的上市企业。

他们走了一条不同的技术路线——

从上世纪40年代开始，美国就开始以“磁选态”方案研制铯原子钟，就是利用磁铁产生的强直流磁场，来实现对原子的选择。

以上这段不懂也没关系，曹远洪说，你只需晓得一个关键点：这种方案需要两块笨重的磁铁，以及一个叫做电子倍增器的东西。

这个电子倍增器，需要在1000摄氏度的高温下，连续工作10年；机械加工需要做到微米量级，并保证10年以上不发生形变。很遗憾，这种制造工艺和倍增器材料，我国还未掌握。

所以，在过去，我国的铯原子钟始终依靠进口，甚至，有钱也买不到；即使买到了，规定你用在哪里就只能用在哪里。

成都天奥可谓另辟蹊径，杀出一条血路：采用先进的“光抽运”方案，简单地说，就是用激光激发原子，这不仅使原子利用率大大提高、原子钟寿命成倍增加，而且——

可以彻底和磁铁与电子倍增器“SAY GOODBYE”!

2015年，国产铯原子钟就这样横空出世了！

又经过几年持续发展，现在国产铯原子钟已经达到国际先进水平——

几十万年不会有“1秒”的误差！

3

其实说到这里，还有个重要信息没有介绍。

这跟我们到底有什么关系？

现在，请打开手机，看着时间——

1秒、1秒、1秒，时间正在往前转动。

前面我们说过，正因为铯原子钟的发明，1秒，被确定为铯133震动9,192,631,770次。

但此1秒非我们看到的1秒，或者说，不完全是。

现在，全世界50多个国家的70个实验室里，一共有400多台原子钟在运转。国际计量局会定期收集它们的数据，结合经认证的少数几个国家计量院的基准原子钟数据，综合计算出国际原子时（TAI），并基于此产生协调世界时（UTC）。

又称世界统一时间。

这就是你看到的每一秒的由来。

也可以理解为，我们的每一秒背后都有铯原子钟的贡献。

铯原子钟每一秒的时间长度可以保持“万年不变”，但地球因空间尘埃、磁场风暴、太阳风、月球引力等原因，自转的速度没法保持“万年不变”。

科学家计算出，地球自转每天大约减慢两毫秒。

因此，1972年的一项国际协议规定，原子钟要定期调整，使之与地球自转同步。

比如在2008年12月31日晚7点前，科学家们就将世界各地的原子钟都提前了一秒。

所以，当时我们手机上的时间，其实在“变”，只是很难觉察到。

让我们继续打开手机，给朋友打一个电话。

这时，你讲的话，通讯商会通过电脑生成数据包，传送给另外一台负责接收的电脑。

要想接收电脑能识别出你的话，两台电脑必须完美同步。

即两台电脑的时间必须“分毫不差”！

这时，通讯商就需要配备原子钟，来保持电脑之间的时刻完全同步。

来实现你讲的“同时”，他正在听。

这样才能在同一时间在通讯频道上传输大量的通话，并彼此识别。

其实，技术发展到今天，不仅铯原子，氢原子、汞原子、铷原子、锶原子等都在被用于研制原子钟。

所以有一天，我们眼中1秒的长度，可能还会变！

正如物理学界那句名言——

“把小数点往后挪一位，你就会发现新的真理。”

铯原子钟还有非常广的应用场景，读完这一期，我们才算摸到了门槛。

下一期，我们将走进成都天奥电子股份有限公司，近距离揭开铯原子钟的神秘面纱，看看它如何影响我们的生活。

敬请期待！